Xác định độ tin cậy của tải trọng sóng tác dụng lên công trình thuỷ kích thước lớn (CTTKTL) dạng khối tròn xoay bằng ph-ơng pháp phần tử biên

Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 136 xác định độ tin cậy của tải trọng sóng tác dụng lên công trình thuỷ kích th−ớc lớn (CTTKTL) dạng khối tròn xoay bằng ph−ơng pháp phần tử biên PGS.TS Đỗ Văn Đệ Khoa Xây dựng Công trình thuỷ Tr−ờng Đại học Xây dựng Tóm tắt: Đề tμi đi vμo nghiên cứu xác định độ tin cậy của tải trọng sóng ngẫu nhiên tác dụng lên công trình thuỷ kích th−ớc lớn dạng khối tròn xoay bằng ph−ơng pháp phần tử biên. Cụ thể bμi toán đặt ra lμ ”Với diện tích xung quanh mặt −ớt kết cấu CTTKTL (diện tích bề mặt kết cấu tiếp giáp với môi tr−ờng n−ớc) không đổi, tự động hoá chọn các thông số hình học (hình dáng vμ tiết diện) CTTKTL hợp lý để tải trọng sóng tổng cộng tác dụng lên CTTKTL lμ bé nhất. ứng với tải trọng bé nhất nμy, tính xác suất vμ các đặc tr−ng số của tải trọng sóng ngẫu nhiên tác dụng lên công trình”. Summary: This study defines the reliability of random wave load on great hydro-structural (perfectly round shape) by boundary element method. The concrete problem: Area of cross wet section of great hydro-structural (contract area of structure to water environment) is constant, automating to select the most sensible of geometrical parameters (shape and section) of great hydro-structural so that the total wave load on great hydro-structural is the lowest, corresponding to this lowest load. We can calculate probabilities and numerical characteristics of random wave load on structure. 1. Tổng quan về các loại công trình thuỷ kích th−ớc lớn (CTTKTL) CTTKTL là một trong những kết cấu thích ứng cho công trình bến cảng n−ớc sâu nói riêng và các công trình biển trọng lực nói chung, ví dụ nh−: bến trụ ống đ−ờng kính lớn, dạng cừ vây ô, dàn khoan biển, CTBTL, CTB nổi... Các dạng kết cấu này có các −u điểm sau: - Có độ ổn định cao (tự ổn định bằng trọng l−ợng bản thân); - Có tác dụng giảm c−ờng độ áp lực sóng; - Hình dạng, kích th−ớc khối lớn, có khả năng hình thành tuyến bến hay đê chắn sóng t−ơng đối dài với các phân đoạn riêng; - Đối với các khối đặt chìm vào đất nền có thể giảm khối l−ợng nạo vét hố móng, thi công lớp đệm, không những giảm đ−ợc kinh phí xây dựng mà còn giảm thời gian thi công. - CTTKTL th−ờng làm bằng bê tông hoặc BTCT có khả năng chống xâm thực tốt, tuổi thọ công trình cao. Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 137 1.1 Công trình biển trọng lực Trên thế giới hiện nay có nhiều công trình biển trọng lực bê tông đ−ợc xây dựng trên biển để khai thác dầu khí, nh− các vùng: Biển Hà Lan, Brasil, Biển Bắc, Vịnh Mexico... Công cuộc khai thác biển và đại d−ơng ngày càng đ−ợc chú ý phát triển. Qua nhiều cuộc hội thảo đã khẳng định Việt Nam có đủ điều kiện để xây dựng loại công trình biển này. 1.2 Bến trụ ống đ−ờng kính lớn Bến trụ ống đ−ờng kính lớn đã đ−ợc sử dụng rất nhiều ở các n−ớc nh−: Nga, Nhật Bản (Hình 1). ở cảng Sêvastopol đã đ−a vào khai thác 700m bến làm bằng các ống đ−ờng kính lớn lắp ghép. Các ống có đ−ờng kính 10,5m ghép từ 10 tấm bê tông cốt thép phẳng [2]. 0.14 3.75 3.35 6.5 8.5 Hình 1. Bến trụ ống Hình 2. ĐCS ở cảng Khantskholm Hình 3. ĐCS ở Kobe-Nhật Bản Tại Việt Nam, trụ ống bê tông cốt thép đ−ợc xây dựng nhiều ở các công trình cầu đ−ờng bộ. Tại các n−ớc trên thế giới, kết cấu đê chắn sóng bằng trụ ống đ−ờng kính lớn t−ơng đối phổ biến: Đan Mạch (Hình 2), ở Kôbê - Nhật Bản (Hình 3). Trụ ống đ−ờng kính lớn mở ra nhiều triển vọng cho công trình đê chắn sóng. Ngoài ra, tuổi thọ công trình cao cũng nh− thích nghi đ−ợc với độ xâm thực mạnh của n−ớc biển cũng là một −u thế khiến cho kết cấu này đ−ợc sử dụng nhiều. 1.3 Cừ vây ô Cừ vây ô đ−ợc sử dụng nhiều trong công trình đê chắn sóng. Cừ có thể là cừ thép hoặc cừ bê tông cốt thép nh−ng cừ thép đ−ợc sử dụng phổ biến hơn. Cừ đ−ợc đóng vây lại thành các ô có các hình dạng khác nhau nh−: tròn, bát giác, lục lăng [2]. Tại Việt Nam đã xây dựng đ−ợc 11 bến t−ờng cừ ở cảng Hải Phòng nên việc thi công cừ vây ô cũng không gặp nhiều khó khăn. 2. Những bất cập • Các loại kết cấu trụ ống đ−ờng kính lớn, cừ vây ô, dàn khoan biển trọng lực... mặc dù có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao, xong ở Việt Nam ch−a đ−ợc phát triển. Vì vậy việc nghiên cứu chúng để áp dụng trong điều kiện Việt Nam là rất cần thiết. • Các loại hình kết cấu CTTKTL không chỉ đòi hỏi công nghệ thi công cao, thiết bị hiện đại mà còn phức tạp cả về mặt thiết kế. Chính vì vậy cần phải đặt ra vấn đề nghiên cứu các mô hình số hiện đại để giải trên máy tính cho các chủng loại bài toán này. 15.8 0. 2 319 0.15 7.9 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 138 • Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế công trình bến cảng biển của Việt Nam đang qui định sử dụng tiêu chuẩn 22TCN-222-95 để tính toán xác định tải trọng do sóng tác động lên công trình thuỷ [5]. Tiêu chuẩn này chỉ đề cập đến tính toán tải trọng sóng tác dụng lên vật cản cục bộ thẳng đứng với D ≤ 0, 4λ (trong đó D là kích th−ớc ngang đặc tr−ng của tiết diện, λ là chiều dài sóng) dùng chung cho cả kết cấu cọc và trụ có xét đến hệ số lân cận. 3. Đặt vấn đề nghiên cứu ”Với diện tích xung quanh mặt −ớt kết cấu CTTKTL(diện tích bề mặt kết cấu tiếp giáp với môi tr−ờng n−ớc) không đổi, tự động hoá chọn các thông số hình học (hình dáng vμ tiết diện) CTTKTL hợp lý để tải trọng sóng tổng cộng tác dụng lên CTTKTL lμ bé nhất. ứng với tải trọng bé nhất nμy, hãy tính xác suất vμ các đặc tr−ng số của tải trọng sóng ngẫu nhiên tác dụng lên công trình”. 4. Cơ sở đánh giá Độ tin cậy về độ bền kết cấu công trình d−ới tác dụng của tải trọng sóng ngẫu nhiên Đ−ờng lối chung để đánh giá ĐTC về độ bền kết cấu công trình d−ới tác dụng của tải trọng sóng ngẫu nhiên đ−ợc biểu diễn tóm tắt theo sơ đồ sau: Sηη(ω) SVV(ω) Saa(ω) SFF(ω) Suu(ω) SNN(ω) S σσ(ω) ( ){ } t [o,T] 0 0 P(t) Prob ,τ [0,t] Pσ τ σ ∈ = ≤ ∈ ≥ (1) 5. Các phổ sóng ứng dụng trong tính toán Công trình biển Phổ Pierson - Moskowitz P - M; phổ Jonswap; phổ Breschneider; các phổ này có dạng chung: Sηη(ω) = (A/ω2).exp( - B.ω - 4) (2) trong đó: A, B là các thông số của phổ. Δv Δa ΔF L G H ωωn (rad/s) ηηS (ω) σa σb μ Sηη PM ω (rad/s) (ω) ωm Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 139 6. Xác định tải trọng sóng tác dụng lên CTTKTL khối tròn xoay n (n , n ) a b c Hình 4. CTTKTL dạng khối tròn xoay Hình 5. Sơ đồ bμi toán phẳng a.Công trình thực; b.Mặt cắt đứng; c.Mặt cắt ngang Thế sóng tổng cộng (nhiễu xạ) đ−ợc xác định theo công thức sau: ωφ φ φ= +⎡ ⎤⎣ ⎦( , , , ) ( , , ) ( , , ) . i tI dx y z t x y z x y z e (3) Trong đó: • Thế sóng tới: ωφ = −− . ( . ) ( , , ) . . exp( ) 2 ( )I H ch k y x y z i ikx k sh k yo (4) • Thế sóng phản xạ là nghiệm của ph−ơng trình Laplace: φ∇ =2 ( , , ) 0d x y z (5) • áp lực sóng lên biên vật thể theo ph−ơng pháp tuyến đ−ợc xác định theo công thức: φρ ∂= − ∂( , , , ) ( , , , )F x y z t x y z tt (6) Thay (3) vào (6) và biến đổi ta đ−ợc: ωωρ φ φ= − +⎡ ⎤⎣ ⎦( , , , ) ( , , ) ( , , ) . i tI dF x y z t i x y z x y z e = Fo(x, y, z).η(x, t) (7) Trong đó: ωρ φ φ= − +⎡ ⎤⎣ ⎦( , , ) ( , , ) ( , , )I dFo x y z i x y z x y z .2/H.e ik.x (8) Hàm sóng bề mặt: η(x, t) = H/2. e - i(k.x - ωt) (9) Sau khi rời rạc hoá bề mặt −ớt của vật thể thành l−ới các phần tử ta qui tải trọng sóng về các nút phần tử. áp lực sóng theo ph−ơng pháp tuyến nj của phần tử j có dạng: ⎡ ⎤= Δ ⎣ ⎦. ( , , .B B Bj j j ỵ jFo S Fo x y z (10) Thành phần của Foj(t) trong hệ toạ độ Đề các đ−ợc viết d−ới dạng hàm phức: η η η η η η = = + = = + = = + ( ) . . ( , ) ( . ). ( , ) ( ) . ( , ) ( . ). ( , ) ( ) . ( , ) ( . ). ( , ) x j j xj y j j ỵ z j j zj Fo t Fo n x t Ajx i Bjx x t Fo t Fo n x t Ajy i Bjy x t Fo t Fo n x t Ajz i Bjz x t ; Bnj ,1= (11) n Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 140 7. Biểu diễn phổ tải trọng sóng SFF (ω) qua phổ mặt sóng Sηη(ω) SFxFx(ω) = [Ajx2 + Bjx2]. Sηη(ω) = Sox. Sηη(ω) SFyFy(ω) = [Ajy2 + Bjy2]. Sηη(ω) = Soy. Sηη(ω) (12) SFzFz(ω) = [Ajz2 + Bjz2]. Sηη(ω) = Soz. Sηη(ω) SFF(ω) = [SFxFx(ω)2 + SFyFy(ω)2 + SFzFz(ω2]1/2 = So. Sηη(ω) So = [Sox2 + Soy2 + Soz2]1/2 8. Xác định các đặc tr−ng số của phổ tải trọng sóng • Ph−ơng sai của phổ tải trọng sóng: Dx = ∫ SFxFx (ω)dω = ∫ Sox.Sηη(ω)dω Dz = ∫ SFzFz (ω)dω = ∫ Soz.Sηη(ω)dω (13) DF = ∫ SFF (ω)dω = ∫ So.Sηη(ω)dω • Độ lệch của phổ tải trọng sóng: σx = (Dx)1/2, σz = (Dz)1/2, σF = (DF)1/2 (14) • Xác định xác suất của phổ tải trọng sóng: Px(Fx < Fo ) = ∫ ∞ Fo Sox.Sηη(ω)dω Pz(Fz < Fo) = ∫ ∞ Fo Soz.Sηη(ω)dω (15) PF(F < Fo) = ∫ ∞ Fo So.Sηη(ω)dω 9. Xây dựng thuật toán vμ lập trình 9.1 Xây dựng thuật toán Giả sử công trình dạng khối tròn xoay (đặt trong môi tr−ờng biển có độ sâu n−ớc là do) tiết diện bất kỳ, ta chia công trình theo chiều cao thành n đoạn, mỗi đoạn i có thể coi là một trụ tròn đặc tr−ng bởi hai thông số hình học: Hi (chiều cao đoạn i) và Di (đ−ờng kính đoạn thứ i). Ta xây dựng đ−ợc bài toán tối −u sau đây: Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 141 Cho tr−ớc độ sâu n−ớc do [m] và diện tích xung quanh mặt −ớt kết cấu DTXQo [m2]. Xác định các thông số Hi, Di và n ( số đoạn) thoả mãn điều kiện: H1 + H2+...+ Hi+...+ Hn = < do và (D1.H1 + D2.H2 +...Di.Hi +...Dn.Hn).π = < DTXQo để cho tổng tải trọng sóng tác dụng lên mặt −ớt: F1 +F2 +...Fi+...Fn = Ftc là bé nhất.Từ đó xác định xác suất và các đặc tr−ng số của phổ tải trọng sóng. 9.2 Xây dựng ch−ơng trình phần mềm Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã xây dựng đ−ợc thuật toán và viết đ−ợc bộ ch−ơng trình phần mềm (mang tên ĐTCPTTSKTX) chuyên dụng tự động hoá "Xác định phổ vμ ĐTC tải trọng sóng nhiễu xạ tác dụng lên CTTKTL có hình dạng khối tròn xoay tiết diện bất kỳ bằng ph−ơng pháp PTB" theo ngôn ngữ FORTRAN 77. Bộ ch−ơng trình gồm 1 ch−ơng trình chính và 10 ch−ơng trình con. Sơ đồ tổ chức ch−ơng trình đ−a trên hình 6: main program subroutine Ndkb(1) subroutine Nfmat(2) Nslnpd(3) subroutine subroutine ninter(4) subroutine ninte(8) subroutine ncoscp(7) nbesj(9) subroutine subroutine nbesy(10) subroutine subroutine phoPM(5) dlpho(6) Hình 6. Sơ đồ tổ chức ch−ơng trình Để kiểm tra ph−ơng pháp và độ tin cậy của ch−ơng trình ĐTCPTTSKTX chúng tôi đã tính toán cho một số tr−ờng hợp đặc biệt để so sánh với kết quả tính theo các ph−ơng pháp khác đã có. 10. áp dụng bộ ch−ơng trình ĐTCPTTSKTX để tính công trình trong điều kiện Việt Nam 10.1 Đặt bài toán khảo sát (Hình 7): CTTKTL dạng khối tròn xoay đặt ở vùng đảo chìm thềm lục địa Việt Nam với: • Các số liệu về môi tr−ờng biển:Vận tốc gió: 50 m/s; Chiều cao sóng: 13 m; Chiều dài sóng: 120 m; Độ sâu n−ớc đặt công trình: do = 21 m; • Số liệu về kết cấu nh− sau:Diện tích xung quanh mặt −ớt: DTXQo = 3300m2; Chia thành 3 đoạn bằng nhau n = 3: H1=H2=H3= 7 m; Đoạn 1 có đ−ờng kính: D1 = 75 m; • Tìm các thông số D2 và D3 để cho Ftc = F1 + F2 + F3 là bé nhất; Xác định tổng tải trọng sóng bé nhất; Xác định xác xuất và các đặc tr−ng số của tải trọng sóng ứng với tải trọng bé nhất. Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 142 10.2 Kết quả tính phổ và xác suất tải trọng sóng tính bằng phần mềm ĐTCPTTSKTX: BAI TOAN TUONG TAC GIUA SONG NHIEU XA VOI CTTKTL I. SO LIEU TINH: - BAI TOAN CTTKTL khoi tron xoay - Chieu cao song H= 13.000 m - Chieu dai song L= 120.000 m - Do sau nuoc d= 21.000 m - Khoi luong rieng nuoc RO=.102 T/m3 - Goc tao boi phuong song song voi truc ket cau anfa=.000 do - So diem chia tren vanh Nv= 12 - So phan tu tren vanh Npt= 12 - So doan chia chieu cao de tinh Nd= 10 - So phan doan Npd= 3; H1=H2=H3= 7.000 m - Duong kinh phan doan 1; D1= 75.000 m - Dien tich xung quanh mat uot DTXQo= 3300.000 m2 II.KET QUA TINH TOAN II.1.Kich thuoc ket cau: - Duong kinh phan doan 2; D2= 50.000 m - Duong kinh phan doan 3; D3= 25.079 m II.2.Tong tai trong song be nhat: PIXT[T] PIZT[T] - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - |T/C |.427E+04 |.000E+00 | - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - II.3.Bien do pho song: ................................... Bien do pho tai trong song tong cong: Soxtc[T2] Soztc[T2] - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - |T/C |.438E+06 |.000E+00 | - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - II.4.Xac suat va cac dac trung so cua tai trong song: - Xac suat tin cay cua pho tai trong song: P= 0.976 - Phuong sai: D = 0.147 m2 - Do lech: Sima = 0.383 m 11. Kết luận chung: Có thể dùng bộ ch−ơng trình ĐTCPTTSKTX để xác định biên độ phổ tải trọng sóng tác dụng lên các công trình: trụ ống, cừ vây ô, công trình trọng lực, ph−ơng tiện nổi... d2 = ? d1 = 75m d3 = ? h3 21m h1 h2 Hình 7. CTTLKTL dạng khối tròn xoay Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007 143 Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Giáp, Nguyễn Ngọc Huệ, Nguyễn Hữu Đẩu, Đinh Đình Tr−ờng (2000), Bể cảng và đê chắn sóng, Nxb Xây dựng, Hà Nội. 2. Phạm Văn Giáp, Nguyễn Hữu Đẩu, Nguyễn Ngọc Huệ. Công trình bến cảng, Nxb Xây dựng, Hà Nội, 1998. 3. 22TCN - 222 - 95, Tải trọng và tác động (do sóng và do tàu) lên công trình thuỷ, Hà Nội,1995. 4. T.H.Dawson - Offshore Structural Engineering, USA 1984. 5. C.A.Brebbia, J.C.F.Telles, L.C.Wrobel - The Boundary Element Techniques, M.1987. 6. T. Karamanxki - Ph−ơng pháp số trong cơ học kết cấu - Nxb Khoa học kỹ thuật, 1988.